Techniczne aspekty izolacji krążących komórek nowotworowych (KKN) z użyciem sita molekularnego

Transkrypt

1 Biuletyn WAT Vol. LXVI, Nr 1, 2017 Techniczne aspekty izolacji krążących komórek nowotworowych (KKN) z użyciem sita molekularnego PAWEŁ PASTUSZKA 1, ZDZISŁAW BOGDANOWICZ 1, ARTUR KOWALIK 3, KRZYSZTOF GRUSZCZYŃSKI 3, MARIUSZ ŁAPIŃSKI 2 Wojskowa Akademia Techniczna, 1 Wydział Mechaniczny, Instytut Budowy Maszyn, 2 Centrum Inżynierii Biomedycznej, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 3 Świętokrzyskie Centrum Onkologii, Zakład Diagnostyki Molekularnej, Kielce, ul. Artwińskiego 3, pawel.pastuszka@wat.edu.pl, zdzislaw.bogdanowicz@wat.edu.pl, artur_kowalik@yahoo.com, gruszczynski.k@wp.pl, mariusz.lapinski@wat.edu.pl Streszczenie. W artykule przedstawiono charakterystykę krążących komórek nowotworowych (KKN) w kontekście ich wzbogacania. Pokazano możliwość stosowania sit molekularnych w procesie izolacji KKN. Wyróżniono istotne czynniki techniczne mające wpływ na skuteczność wzbogacania KKN z użyciem sit molekularnych oraz wskazano konieczność kompromisowego doboru tych parametrów. Przedstawiono konstrukcję sita 2D opracowaną w ramach działalności Centrum Inżynierii Biomedycznej WAT. Wskazano dalsze kierunki badań zakładające użycie tej konstrukcji do filtra molekularnego w formie stosu sit. Słowa kluczowe: sito molekularne, wzbogacanie krążących komórek nowotworowych (KKN), fotolitografia laserowa, ablacja laserowa DOI: / Wstęp Terminem krążące komórki nowotworowe (KKN) określa się komórki nowotworowe, które oderwały się od guza pierwotnego i wraz z innymi komórkami krążą w układzie krwionośnym człowieka. Przypisuje im się zasadniczą rolę w powstawaniu przerzutów [1]. Liczebność KKN we krwi zawiera się w przedziale 1-10 szt./ml [2]. Dla porównania w tej samej objętości krwi znajduje się ok szt. erytrocytów

2 42 P. Pastuszka, Z. Bogdanowicz A. Kowalik, K. Gruszczyński, M. Łapiński (krwinek czerwonych), ok szt. trombocytów (płytek krwi) i ok szt. limfocytów (białych krwinek). Zakres typowego rozmiaru KKN wynosi µm, choć sporadycznie podczas badań stwierdza się obecność mniejszych komórek (tzw. Small Circulating Tumor Cells rys. 1). Przyjmuje się, że są one zwykle większe od pozostałych typów komórek obecnych we krwi człowieka [3]. Rys. 1. Widok małej krążącej komórki nowotworowej (Small Circulating Tumor Cells) Choć KKN zostały zaobserwowane po raz pierwszy przez Thomasa Ashwortha u mężczyzny z przerzutami nowotworowymi w roku 1868 [4], to możliwość stosowania KKN do diagnostyki chorób nowotworowych określono w roku 2004 [5]. Tak długi okres, jaki upłynął między odkryciem KKN a ich zastosowaniem w diagnostyce medycznej, wynika z niewielkiej liczebności KKN (co znacząco utrudnia ich obserwację i badanie), a także z trudności technologicznych w wykonaniu elementów mogących oddziaływać na KKN. Celem artykułu jest przedstawienie metod izolacji krążących komórek nowotworowych ze szczególnym uwzględnieniem technicznych czynników mających wpływ na wzbogacanie KKN i determinujących konstrukcję sit molekularnych. 2. Techniki wzbogacania KKN Mała liczba krążących komórek nowotworowych znajdująca się w krwiobiegu (zwłaszcza w porównaniu do liczebności komórek krwi) wymusza podejmowanie działań mających na celu izolację KKN z krwi. Działania te określa się mianem wzbogacania. Przez wzbogacanie rozumie się wszelkie czynności pozwalające na wyodrębnianie KKN, umożliwiając ich dalsze badanie. Wyróżnia się dwie podstawowe grupy właściwości KKN wykorzystywane przy wzbogacaniu: biologiczne (ekspresja markerów powierzchniowych) i fizyczne (gęstość, rozmiar).

3 Techniczne aspekty izolacji krążących komórek nowotworowych (KKN) Izolacja KKN w oparciu o właściwości fizyczne KKN (gęstość) W procesie wzbogacania KKN wykorzystuje się takie właściwości komórek jak: rozmiar, gęstość, ładunek elektryczny, zdolność do odkształceń. Najczęściej wykorzystuje się jedną z dwóch pierwszych właściwości. Gęstość KKN jest mniejsza niż pozostałych komórek krwi [6]. Tę cechę można wykorzystać, dokonując rozdziału próbki krwi na frakcje (rys. 2). Rys. 2. Schemat ideowy izolacji KKN w oparciu o ich gęstość [7] Odbywa się to przy zastosowaniu specjalnego płynu oddzielającego (np. Gradisol L) dodawanego do przesiewanego materiału biologicznego. Tak przygotowany roztwór poddaje się procesowi wirowania (2800 obr/min przez 20 min). Po wykonaniu tych czynności uzyskuje się materiał rozdzielony na frakcje na dole znajdują się erytrocyty i granulocyty, w części środkowej limfocyty, monocyty i KKN, w górnej warstwie płytki krwi wraz z osoczem. Zalety tej metody to wzbogacanie KKN niezależnie od ich cech biologicznych oraz wzbogacanie małych KKN (< 15 µm). W procesie tym usuwane są czerwone krwinki, płytki krwi oraz ponad 50% wszystkich białych krwinek. Wadę stanowi mała rozdzielczość (wraz z KKN ulegają wzbogaceniu limfocyty) Izolacja w oparciu o właściwości fizyczne KKN (rozmiar) Izolacja KKN na podstawie rozmiaru opiera się na zasadzie przesiewu rozrzedzonej krwi przez element zawierający otwory o średnicy dobranej tak, aby na powierzchni elementu zostały KKN bez pozostałych komórek krwi (rys. 3). Ponieważ w analizie po przesiewie roztworu krwi istotny jest materiał osiadły na sicie, niemożliwe jest stosowanie klasycznych filtrów, dla których istotą dalszej analizy jest materiał, który znajduje się za filtrem. Elementy stosowane do wzbogacania KKN określa się mianem sit molekularnych. Mają one najczęściej postać cienkich membran z otworami pozwalającymi na izolację KKN. Sita umieszcza się w specjalnych, dedykowanych oprawach zapewniających szczelność i unieruchomienie sita podczas

4 44 P. Pastuszka, Z. Bogdanowicz A. Kowalik, K. Gruszczyński, M. Łapiński Rys. 3. Schemat ideowy izolacji KKN na podstawie ich rozmiaru [8] przesiewu. Dlatego każde sito składa się z powierzchni roboczej (na której dokonuje się izolacja komórek) i obrzeża umożliwiającego montaż w oprawie. W zależności od rozwiązania średnice otworów wynoszą od 8 µm do 12 µm. Otwory mogą być rozmieszczone losowo bądź równomiernie na całej powierzchni sita (rys. 4). Rys. 4. Przykłady sit molekularnych: a) z losowo rozmieszczonymi otworami; b) z równomiernie rozmieszczonymi otworami [9] Nieregularne rozmieszczenie otworów jest wynikiem bombardowania cienkiej membrany losowo generowanym strumieniem jonów. Z tego względu liczba otworów wykonanych w sicie jest mała, dodatkowo istnieje możliwość nakładania się otworów na siebie bądź wycięcie ich pod kątem względem powierzchni membrany. Konsekwencją jest zwiększenie średnicy otworów skutkujące obniżeniem skuteczności sita. Dlatego częściej stosuje się rozwiązanie, w którym otwory wykonuje się równomiernie na powierzchni roboczej sita metodą ablacji laserowej lub fotolitografii. Taki układ umożliwia naniesienie dużej liczby otworów, co podnosi skuteczność wzbogacania (większe prawdopodobieństwo zaklinowania się komórki w otworze), usprawnia proces przesiewu krwi (mniejsza tendencja sita do blokowania się), a otwory mają bardziej powtarzalny, regularny kształt i rozmiar.

5 Techniczne aspekty izolacji krążących komórek nowotworowych (KKN) W sitach molekularnych założenie izolacji KKN opiera się na ich rozmiarze, który wyrażany jest jako średnica średnia komórki. Zaletami stosowania sit molekularnych są stosunkowo niska cena, powtarzalność i możliwość automatyzacji procesu wytwarzania oraz niezależność od właściwości biologicznych komórek. Do wad zalicza się znikome wzbogacanie KKN mniejszych niż rozmiar otworu sita i mniejszą rozdzielczość ze względu na możliwość wzbogacenia większych limfocytów. Sita molekularne ze względu na ich konstrukcję dzieli się na dwie podstawowe grupy: sita 2D, w których powierzchnię roboczą stanowi pojedyncza membrana z wyciętymi otworami przelotowymi (rys. 5a), sita 3D, w których powierzchnia robocza podzielona jest na kilka warstw, w każdej z nich otwory nie są współosiowe i mogą mieć inny rozmiar (rys. 5b). Rys. 5. Podstawowe rodzaje sit molekularnych: a) sito 2D; b) sito 3D [10, 11] W elementach 2D odzysk komórek następuje w wyniku różnicy między średnim rozmiarem KKN a pozostałymi komórkami krwi (rys. 6). KKN są komórkami większymi niż erytrocyty i trombocyty. Porównywalną wielkość mają tylko duże limfocyty Rys. 6. Zestawienie rozmiaru KKN względem pozostałych komórek krwi

6 46 P. Pastuszka, Z. Bogdanowicz A. Kowalik, K. Gruszczyński, M. Łapiński i monocyty. W membranie wykonuje się otwory o średnicy mniejszej niż rozmiar KKN, dzięki temu istnieje możliwość osadzenia się komórki w otworze. Należy wskazać na podstawie własnych badań, że komórki wykazują dużą plastyczność i przeciskają się przez otwory, nawet jeśli są one większe niż otwory sita. Podejmowane są działania skupiające się na zniwelowaniu tego efektu. Przykładowo można uzyskać zmniejszenie plastyczności komórek poprzez utrwalanie ich w formalinie. Niestety, inicjowany jest wtedy proces apoptozy komórek pozbawiający możliwości ich dalszych badań (w tym hodowli wyizolowanych KKN w celu przeprowadzenia badań funkcjonalnych). W elementach 3D obszar roboczy sita rozdzielony jest na kilka warstw. W każdej z nich znajdują się otwory różniące się średnicą i wzajemnym położeniem. Dzięki temu, że otwory poszczególnych części sita nie są współosiowe, każda z komórek musi przemieścić się przez obszar znajdujący się pomiędzy warstwami. Komórki o dużych rozmiarach (wśród których znajdują się KKN) ulegają zakleszczeniu. Zaletą tego typu konstrukcji jest fakt zmniejszonego natężenia przepływu cieczy podczas przesiewu, co pozytywnie wpływa na przeżywalność komórek. W każdym z rodzajów sit kluczowe są: dobór rozmiaru otworu musi mieć średnicę na tyle małą, by umożliwić wzbogacanie KKN, i na tyle dużą, by uniemożliwić zatykanie się otworów przez mniejsze elementy krwi. Efekt jest wyraźnie widoczny przy pracy z materiałem biologicznym ze względu na skłonność komórek do agregacji (łączenia się w skupiska) szczególnie często obserwowaną dla erytrocytów. Zakres najczęściej stosowanych rozmiarów otworów to od 8 do 12 µm; liczba otworów wskaźnikiem umożliwiającym ocenę prawidłowego doboru liczby otworów sita jest porowatość definiowana jako stosunek sumarycznego pola powierzchni otworów do powierzchni roboczej sita bez obrzeża. W konstrukcjach, gdzie odzysk komórek osiągał wartość powyżej 80%, porowatość zawierała się w przedziale 70-80%; sposób rozmieszczenia otworów losowo rozmieszczone otwory wykonywane za pomocą bombardowania jonowego wykorzystywane w membranach w innych procesach filtracji nie zapewniają wystarczającej liczby otworów oraz powodują ryzyko nakładania się otworów na siebie, przez co niektóre z nich mogą mieć rozmiar powyżej nominalnego dla danego sita. Częściej spotykanym sposobem jest równomierne rozmieszczenie otworów na całej powierzchni roboczej sita. Odległość pomiędzy poszczególnymi otworami w rzędzie oraz pomiędzy rzędami powinna umożliwić uzyskanie porowatości w przedziale wskazanym powyżej, a jest to możliwe przy gęstości otworów rzędu szt./mm 2 powierzchni roboczej sita; grubość membrany im grubsza membrana, tym większe prawdopodobieństwo zagnieżdżenia się komórki w otworze, jednak ze względu na małe średnice otworów i lepkość krwi istnieje ryzyko zasklepienia otworów i zatrzymania procesu przesiewu. Cienka membrana zapewnia ciągłość

7 Techniczne aspekty izolacji krążących komórek nowotworowych (KKN) przesiewu, jednak znacząco zwiększa koszty ze względu na konieczność stosowania sztywniejszych materiałów w postaci cienkich folii, ubocznym efektem może być zjawisko zwijania się sita w wyniku zbyt małej sztywności materiału. Według dostępnych źródeł zalecana grubość membrany zawiera się w przedziale µm; rodzaj użytego materiału materiał powinien cechować się tzw. biozgodnością rozumianą jako brak skłonności materiału do oddziaływania na tkanki żywe. Użyty materiał biologiczny po procesie przesiewu powinien zachować wszelkie funkcje życiowe umożliwiające jego wykorzystanie w dalszych badaniach i eksperymentach, np. hodowli komórek. Za materiały biozgodne uznaje się m.in.: stopy tytanu, kobaltu, poliwęglan, kompozyty na osnowie ceramicznej; struktura warstwy wierzchniej materiału w przypadku dużej chropowatości zwiększa się prawdopodobieństwo utwierdzenia komórki w obrębie chropowatości, jednak uzyskany materiał biologiczny jest gorszej jakości ze względu na narażenie komórek na niszczenie przez wzniesienia i zagłębienia powierzchni. Według dotychczasowych badań chropowatość powinna być jak najmniejsza skuteczność wzbogacania nie ulega pogorszeniu, a jakość materiału biologicznego jest znacznie lepsza; odległość między warstwami powinna być dobrana w odniesieniu do rozmiaru KKN, zbyt mała odległość uniemożliwi przepływ krwi, zbyt duża nie pozwoli na zajście efektu wzmocnienia odzysku w wyniku oddziaływania zmniejszonej przestrzeni między membranami Izolacja KKN w oparciu o właściwości biologiczne KKN (ekspresja markerów powierzchniowych) Każdy materiał biologiczny, w tym krążące komórki nowotworowe, posiada charakterystyczne cechy pozwalające na jego identyfikację. Dla KKN często stosowaną cechą jest ich ekspresja markerów powierzchniowych. Różni się ona od markerów powierzchniowych spotykanych w pozostałych komórkach krwi. Stosuje się dwie techniki wykorzystujące tę cechę do wzbogacania KKN. W jednej z technik do roztworu krwi dodaje się przeciwciała połączone z magnesem (rys. 7). Przeciwciała dobrane są tak, aby możliwe było połączenie ich z danym markerem powierzchniowym. Oddziaływanie pola magnetycznego na wzbogacany roztwór przyczynia się do przyciągania magnesów, z którymi połączone są KKN (w przypadku selekcji pozytywnej) lub pozostałe komórki krwi (w przypadku selekcji negatywnej). Pole magnetyczne jest aktywne do momentu ukończenia procesu przesiewu. W innej metodzie dedykowane przeciwciała umieszcza się na mikrokolumnach (rys. 8). Łączą się one z antygenem Ep-CAM występującym na powierzchni komórek

8 48 P. Pastuszka, Z. Bogdanowicz A. Kowalik, K. Gruszczyński, M. Łapiński nowotworowych. W tym rozwiązaniu konieczne jest zapewnienie małej prędkości przepływu wzbogacanego medium pozwalającej na oddziaływanie przeciwciał i antygenów KKN. a) b) Rys. 7. Schemat ideowy wzbogacania KKN na bazie ich właściwości biologicznych: a) selekcja pozytywna; b) selekcja negatywna; kolorem zielonym oznaczono KKN, kolorem szarym leukocyty, kolorem brązowym erytrocyty, kolorem pomarańczowym przeciwciała [8] Rys. 8. Wzbogacanie KKN z użyciem filtra mikroprzepływowego z przeciwciałami [12]

9 Techniczne aspekty izolacji krążących komórek nowotworowych (KKN) Zaletami obydwu technik są duża rozdzielczość (wzbogacanie tylko KKN bez wzbogacania innych komórek krwi) i niezależność od cech fizycznych KKN. Wady to brak możliwości wzbogacania pełnej populacji KKN ze względu na dużą różnorodność biologiczną KKN oraz dość wysoka cena urządzeń i samego badania przesiewowego. 3. Technologie wytwarzania mikrootworów Aby odzysk KKN na podstawie ich rozmiaru był możliwy, konieczne jest wykonywanie otworów o odpowiednio mniejszej średnicy. Wykonanie takich otworów wymaga użycia technologii pozwalającej na dokładną konstrukcję tych elementów. Istnieją dwie podstawowe metody pozwalające na spełnienie tych wymagań. Pierwszą z nich jest bezpośrednia fotolitografia laserowa. W metodzie tej używa się pojedynczej wiązki laserowej do nanoszenia pożądanych wzorów na płaskim elemencie pokrytym powłoką światłoczułą [13]. Przed samym procesem fotolitografii niezbędne są prace przygotowawcze. Na materiał przeznaczony na sito nanosi się cienką powłokę fotorezystywną przy użyciu powlekacza obrotowego (rys. 9a). Powstałą powłokę utrwala się w płycie grzejnej (rys. 9b). Tak przygotowany materiał poddawany jest fotolitografii laserowej za pomocą urządzenia LaserWriter (rys. 10a). W urządzeniu tym formuje się zadane w programie wzory geometryczne (w przypadku sita kształty otworów) z rozdzielczością ok. 1 µm na podłożach półprzewodnikowych i metalowych. Po tym procesie sito poddawane jest trawieniu jonowemu. Przykład urządzenia realizującego ten proces pokazano na rysunku 10b. Trawienie jonowe wykorzystuje chemicznie reaktywną plazmę do selektywnego usuwania materiału z pewnych Rys. 9. Przykłady urządzeń wykorzystywanych w przygotowaniu próbek do fotolitografii laserowej: a) powlekacz obrotowy POLOS Spin 150i-NPP firmy SPS Semiconductor Production Systems; b) płyta grzejna POLOS Hotplate 150S firmy SPS Semiconductor Production Systems

10 50 P. Pastuszka, Z. Bogdanowicz A. Kowalik, K. Gruszczyński, M. Łapiński ustalonych obszarów warstwy lub podłoża. Plazma jest wytwarzana w warunkach niskiego ciśnienia (podciśnienia) przez pole elektromagnetyczne. Rys. 10. Elementy stanowiska do wytwarzania sit metodą fotolitografii laserowej: a) urządzenie do bezpośredniej fotolitografii laserowej Microtech LaserWriter 405B+; b) urządzenie do głębokiego trawienia jonowego Plasmionique Flarion FLRIE 600 Fotolitografia laserowa jest technologią bardziej elastyczną i tańszą niż klasyczna fotolitografia elektronowa i UV ze względu na brak konieczności stosowania masek. Jej zaletą jest także krótki czas wykonywania wysokorozdzielczych wzorów. Konieczne jest jednak wydzielenie strefy pracy urządzeń o odpowiedniej czystości powietrza i stabilnej temperaturze (Clean Room). Drugą metodą stosowaną przy wytwarzaniu mikrootworów jest ablacja laserowa. Ablacja laserowa to proces, podczas którego pod wpływem wiązki lasera następuje przemiana fizyczna materiału ze stanu stałego w stan gazowy (sublimacja). Do zalet tej techniki zalicza się fakt, że każdy materiał w stanie stałym może ulec ablacji laserowej. Możliwy jest precyzyjny dobór liczby i energii impulsów lasera, co pozwala na kontrolę tempa tworzenia się otworu, a materiał sublimuje tylko w miejscu oddziaływania wiązki lasera. Przy wykonywaniu otworów o średnicy rzędu 8 µm tą metodą w materiałach mających postać cienkich folii należy uwzględnić fakt, że punktowe nagrzewanie próbki skutkuje niejednorodnym jej rozszerzaniem, co może powodować jej odkształcenie. Przy nieprawidłowo prowadzonej obróbce może przyczynić się to do zaniku ablacji i w konsekwencji braku otworu. Stanowisko do wytwarzania sit do separacji komórek oparto na urządzeniach dostępnych na wyposażeniu Instytutu Optoelektroniki WAT (rys. 11). Konieczność uwzględnienia wymaganej dokładności otworów wymagała przystosowania wiązki laserowej celem polepszenia jej jakości. Dlatego wiązka emitowana z lasera pikosekundowego 1 jest rozszerzana za pomocą teleskopu 2, a następnie z użyciem diafragmy 3 wycinana jest centralna część wiązki charakteryzująca się najlepszą jakością. Tak przygotowana wiązka poprzez skaner z soczewką trafia na obrabianą próbkę, gdzie dokonywana jest ablacja materiału.

11 Techniczne aspekty izolacji krążących komórek nowotworowych (KKN) a) b) Rys. 11. Stanowisko do wytwarzania sit do separacji komórek: a) widok układu lasera: 1 laser pikosekundowy, 2 teleskopy, 3 diafragmy, 4 skaner; b) skanery i stelaże stanowiska do wytwarzania sit metodą ablacji laserowej: 1 uchwyt próbki, 2 stolik, 3, 4 skanery z soczewkami telecentrycznymi, 5 elementy stelaża 4. Konstrukcje własne Na podstawie przeprowadzonej analizy konstrukcji urządzeń do wzbogacania KKN stwierdzono, że zasadne jest rozpoczęcie prac pozwalających na udoskonalenie elementów wykorzystujących właściwości fizyczne KKN. Są one stosunkowo tanie, a potencjał ich rozwoju jest wciąż duży, ponieważ istnieje możliwość wykorzystywania sit wielowarstwowych czy filtrów w formie stosu sit. Dlatego w ramach Centrum Inżynierii Biomedycznej WAT podjęto prace nad skonstruowaniem sita molekularnego 2D do procesu wzbogacania KKN. Będzie ono stanowić bazę do dalszego rozwoju urządzenia. Po uwzględnieniu właściwości fizycznych KKN przyjęto następujące założenia, które powinien spełniać ten element: wykonane z miedzi lub stopu niklu (na czas badań wstępnych zmniejszenie kosztów, docelowo materiał biozgodny), sztywność zapewniająca trwałość sita podczas przesiewu, struktura powierzchni niepowodująca uszkodzenia materiału biologicznego, jak najmniejsza grubość zapobieganie blokowaniu się otworów na skutek agregacji komórek, ok. 20 mm, średnica otworów ok. 8 mm, ze względu na sposób uwolnienia komórek (wirowanie przy użyciu wirówki laboratoryjnej) wymiary powinny pozwolić na umieszczenie sita w probówce średnica zewnętrzna 23 mm, obrzeże umożliwiające zamocowanie w uchwycie w postaci pierścienia o szerokości ok. 3 mm. Efektem tych prac jest skonstruowanie sita przedstawionego na rysunku 12. W konstrukcji tej elementem bazowym jest membrana o grubości 18 µm w postaci

12 52 P. Pastuszka, Z. Bogdanowicz A. Kowalik, K. Gruszczyński, M. Łapiński Rys. 12. Sito molekularne do wzbogacania KKN: a) widok ogólny; b) rozmieszczenie otworów na powierzchni sita folii miedzianej. Wykonano ok otworów przy użyciu ablacji laserowej. Mają one kształt koła o średnicy ok. 8 mm i rozmieszczone są równomiernie w odległości 50 µm od siebie. Średnica zewnętrzna sita wynosi 23 mm i uwzględnia obrzeże umożliwiające zamontowanie i uszczelnienie sita w urządzeniu przesiewowym. Aby zwiększyć skuteczność wzbogacania KKN, przedstawione powyżej sito nie będzie funkcjonowało jako samodzielny element. Zakłada się stosowanie kilku sit molekularnych w formie jednego stosu. Pozwoli to na ograniczenie wpływu plastyczności KKN na proces ich wzbogacania. Jednocześnie taki sposób konstrukcji sita jest tańszy i prostszy niż w przypadku sit 3D. Ustalenie optymalnych parametrów sit, dobór sposobu ułożenia separatorów względem siebie oraz wpływ tych czynników na skuteczność izolacji KKN będą przedmiotem dalszych prac i badań. 5. Podsumowanie Krążące komórki nowotworowe ze względu na swój udział w powstawaniu przerzutów stanowią dobry materiał do diagnostyki chorób nowotworowych. Ich badanie jest możliwe po procesie wzbogacania. Izolacja KKN z użyciem sit molekularnych jest stosunkowo prostą i tanią metodą. Wymaga ona jednak uwzględnienia wielu technicznych czynników takich jak rozmiar i rozmieszczenie otworów, grubość membrany, rodzaj użytego materiału itp. Należy nadmienić, że każdy z tych parametrów stanowi kompromis między skutecznością izolacji KKN, zachowaniem funkcji życiowych badanego materiału a kosztami wytwarzania. W ramach działalności Centrum Inżynierii Biomedycznej zaproponowano konstrukcję sita 2D o równomiernie rozmieszczonych otworach, stanowiącego bazę proponowanego układu w formie stosu sit. Jest to układ tańszy i bardziej elastyczny w konstrukcji

13 Techniczne aspekty izolacji krążących komórek nowotworowych (KKN) w porównaniu do klasycznego sita 3D. Dalsze prace skupiać się będą na doborze sposobu ułożenia sit oraz wpływie tych czynników na wzbogacanie KKN. Podziękowania dla dr. hab. inż. Jana Marczaka, prof. WAT ( ), dr. inż. Antoniego Sarzyńskiego i mgr inż. Antoniego Rycyka za pomoc w wykonaniu prototypu sita do separacji komórek. Praca została sfinansowana ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju na podstawie decyzji Nr FS/32-015/2013/WAT. Artykuł wpłynął do redakcji r. Zweryfikowaną wersję po recenzjach otrzymano r. LITERATURA [1] Hanahan D., Weinberg R.A., Hallmarks of cancer: the next generation, Cell, no. 144(5), 2011, [2] Miller M.C., Doyle G.V., Terstappen L.W.M.M., Significance of Circulating Tumor Cells Detected by the CellSearch System in Patients with Metastatic Breast Colorectal and Prostate Cancer, J. Oncol., no. 2010, 2010, [3] Vona G., Sabile A., Louha M., Sitruk V., Romana S., Schütze K., Capron F., Franco D., Pazzagli M., Vekemans M., Lacour B., Bréchot C., Paterlini-Bréchot P., Isolation by Size of Epithelial Tumor Cells: A New Method for the Immunomorphological and Molecular Characterization of Circulating Tumor Cells, AJP January, no. 156 (1), 2000, [4] Ashworth T.R., A case of cancer in which cells similar to those in the tumours were seen in the blood after death, Australian Medical Journal, no. 14, 1869, [5] Cristofanilli M., Budd T., Ellis M.J., Stopeck A., Matera J., Miller C.M., Reuben J.M., Doyle G.V., Allard J.W., Terstappen L.W.M.M, Hayes D.F., Circulating Tumor Cells, Disease Progression, and Survival in Metastatic Breast Cancer, N. Engl. J. Med., no. 351, 2004, [6] Gurtowska N., Bajek A., Olkowska J., Drewa T., Identyfikacja krążących komórek nowotworowych jako obiecująca metoda diagnostyki chorób nowotworowych układu moczowo-płciowego, Postępy Hig. Med. Dosw., no. 66, 2012, [7] Low W.S., Wan Abas W.A.B., Benchtop Technologies for Circulating Tumor Cells Separation, BioMed Research Interational, vol. 2015, [8] Lin H., Balic M., Zheng S., Datar R., Cote R.J., Disseminated and circulating tumor cells: Role in effective cancer management, Critical Reviews in Oncology/Hematology, no. 77, 2011, [9] Coumans F.A.W., Dalum G., Beck M., Terstappen L.W.M.M., Filter Characteristics Influencing Circulating Tumor Cell Enrichment from Whole Blood, PLOS ONE, no. 8, 2013, [10] Lin H.K., Zheng S., Williams A.J., Balic M., Groshen S., Scher H.I., Fleisher M., Stadler W., Datar R.H., Tai Y., Cote R.J., Portable Filter-Based Microdevice for Detection and Characterization of Circulating Tumor Cells, Clin. Cancer Res., no. 15, 2010, [11] Zheng S., Lin H., Lu B., Williams A., Datar R., Cote R.J., Tai Y., 3D microfilter device for viable circulating tumor cell (CTC) enrichment from blood, Biomed Microdevices, no. 13(1), 2011, [12] Li Y., Chandran B.K., Lim C.T., Chen X., Rational Design of Materials Interface for Efficient Capture of Circulating Tumor Cells, Adv. Sci., no. 2, 2015, [13] Czyż K., Rycyk A., Strzelec M., Sarzyński A., Marczak J., Bezpośrednie laserowe wytwarzanie struktur periodycznych metodą litografii interferencyjnej, Prace Instytutu Elektrotechniki, z. 266, 2014,

14 54 P. Pastuszka, Z. Bogdanowicz A. Kowalik, K. Gruszczyński, M. Łapiński P. PASTUSZKA, Z. BOGDANOWICZ, A. KOWALIK, K. GRUSZCZYŃSKI, M. ŁAPIŃSKI Technical aspects of circulating tumor cells (CTC) isolation using molecular sieve Abstract. The article presents the characteristics of circulating tumor cells (CTC) in the context of their enrichment. It presents the possibility of the use of molecular sieves in CTC isolation. It shows important technical factors affecting the efficiency of CTC enrichment using molecular sieves and indicates the necessity of compromise choice of these parameters. It shows 2D molecular sieve construction made within the Biomedical Engineering Centre of MUT. It presents the future directions of research which assumes the use of this construction for a molecular filter in the form of sieve stack. Keywords: molecular sieves, circulating tumor cells (CTC) enrichment, laser photolithography, laser ablation DOI: /